新型敏感的取向碳納米管-高分子復合材料.pdf

1、功能高分子如環(huán)境敏感的高分子材料近年來雖然取得了巨大進步，但仍面臨很多挑戰(zhàn)，包括刺激源有限、靈敏度低、可逆性差等，難以滿足實際應用的要求。一個有效的解決途徑是引入無機功能組分，通過高分子與無機組分的協(xié)同作用，制備高性能的敏感復合材料。碳納米管因為其獨特的一維納米結構和優(yōu)異的化學物理性能，成為無機功能組分的理想材料。為有效實現(xiàn)高分子與碳納米管的協(xié)同作用，獲得高性能的復合材料，要求碳納米管在高分子基體中取向排列。但是，目前的研究工作都基于碳

2、納米管在高分子基體中無規(guī)分布，對于碳納米管取向后，二者之間相互作用機制和規(guī)律幾乎沒有研究。
　　本論文首次對取向碳納米管與高分子的相互作用展開研究，系統(tǒng)揭示了取向碳納米管與高分子之間的協(xié)同作用對復合材料性能的影響規(guī)律。在此基礎上，選取兩類代表性的敏感高分子，即具有共軛主鏈的敏感變色聚二炔和具有共軛側鏈的敏感變形偶氮苯基液晶高分子，發(fā)現(xiàn)取向碳納米管與高分子的協(xié)同作用產(chǎn)生新的電致變色和光致變形現(xiàn)象，并總結出新型環(huán)境敏感響應的機制和規(guī)律

3、。
　　取向碳納米管的制備與性能研究。首先通過化學氣相沉積法合成具有取向結構的碳納米管陣列，然后進一步通過干法紡絲制備取向的碳納米管薄膜和纖維。重點研究了取向碳納米管材料的結構及其力學和電學性能，發(fā)現(xiàn)碳納米管的取向結構賦予其優(yōu)異的力學性能（如斷裂強度超過500MPa）和電學性能（如室溫下電導率達到480 S cm-1）。
　　取向碳納米管/共軛高分子的相互作用。以共軛高分子聚噻吩和聚二炔作為模型，分別與取向碳納米管復合，系統(tǒng)

4、研究共軛高分子與取向碳納米管之間的相互作用，特別是取向碳納米管對共軛主鏈排列的影響。結果表明，聚噻吩共軛主鏈垂直于取向碳納米管方向有序排列，進一步研究發(fā)現(xiàn)熱處理和膜厚度是影響其取向度的兩個重要因素。與聚噻吩不同，聚二炔的共軛主鏈平行于取向碳納米管方向有序排列。聚噻吩和聚二炔主鏈不同的排列方向可能源自主鏈不同的組成和結構。這些規(guī)律對于發(fā)展高性能的光電敏感材料與器件具有重要的指導意義。
　　電致變色的取向碳納米管/聚二炔復合纖維。基于

5、取向碳納米管與聚二炔的相互作用，制備出具有高強度和高電導率的取向碳納米管/聚二炔復合纖維，并首次發(fā)現(xiàn)聚二炔復合纖維通電時快速可逆變色現(xiàn)象。重點研究并揭示了聚二炔新型電致變色的機制和規(guī)律，即取向碳納米管通電時形成的電場誘導聚二炔的極性側鏈發(fā)生重排，最終導致聚二炔主鏈構象發(fā)生變化而顯示顏色變化。另外，復合纖維也在其他外界刺激如機械摩擦、化學試劑和熱等作用下發(fā)生顏色變化。
　　光致變形的取向碳納米管/偶氮苯基液晶高分子復合材料。在取向碳

6、納米管材料中加入側鏈含有偶氮苯共軛結構的液晶高分子，發(fā)現(xiàn)碳納米管可以有效誘導液晶基元進行取向，從而發(fā)展出一種制備液晶材料的新途徑。該方法克服了傳統(tǒng)機械摩擦法中微米尺度溝槽不能有效誘導液晶基元取向，以及機械摩擦時難以克服的缺陷和靜電積聚現(xiàn)象。并且通過改變復合材料的制備途徑，可以調控液晶基元的取向方向。進一步研究發(fā)現(xiàn)，取向碳納米管/液晶高分子復合材料顯示獨特的光致變形敏感現(xiàn)象，如在紫外光照射下復合材料發(fā)生可逆變形，無需使用可見光，而目前報道

7、的偶氮苯基液晶材料都必須在紫外和可見光交替照射下發(fā)生可逆變形。取向碳納米管的引入也大大增強了復合材料的力學性能，并賦予其一定的導電性，如斷裂強度和電導率分別達到約1 GPa和350 S cm-1?；谌∠蛱技{米管/液晶高分子復合材料優(yōu)異的力學、電學和敏感性能，本論文重點探討其在遠程電子開關中的應用。
　　總結來說，本論文基于取向碳納米管與功能高分子的相互作用，提出并發(fā)展了具有普適性的制備高性能光電敏感材料的方法，獲得具有環(huán)境響應性